Un bioréacteur intelligent pour modéliser les tissus ostéochondraux
Les lésions ostéochondrales, qui touchent à la fois le cartilage et l’os sous-jacent, sont difficiles à réparer, car ces deux tissus présentent des structures, des propriétés mécaniques et des environnements biologiques distincts. Face à la progression de maladies dégénératives comme l’arthrose, les traitements classiques montrent leurs limites. En ingénierie tissulaire, l’un des principaux défis consiste à reproduire les conditions physiques complexes qui régissent le développement des tissus à l’intérieur de l’articulation, afin de produire et d’étudier des tissus de remplacement fonctionnels.
Reproduire l’environnement ostéochondral
Avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), le projet SYNERGIES a cherché à combler cette lacune en développant une plateforme de recherche avancée capable de reproduire les principales caractéristiques structurelles et biophysiques des tissus ostéochondraux naturels. Pour ce faire, les chercheurs ont associé des échafaudages bicouches(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) imprimés en 3D à des stimulations physiques contrôlées, adaptées à chaque type de tissu et délivrées par un bioréacteur biomimétique spécialement conçu à cet effet. Plutôt que de traiter le tissu ostéochondral comme une structure uniforme, la plateforme distingue deux compartiments, l’un pour l’os et l’autre pour le cartilage. Chaque compartiment peut ainsi recevoir les milieux de différenciation et les stimulations physiques adaptés au tissu concerné. «Avec SYNERGIES, nous sommes allés au-delà des modèles statiques simplifiés pour étudier la réaction des tissus ostéochondraux en développement à des conditions plus proches de la réalité physiologique», explique Joao Silva, chercheur associé au projet.
Optimiser les stimulations grâce à la modélisation et à l’IA
La plateforme s’appuie sur une modélisation multiphysique permettant de caractériser plusieurs paramètres dans la chambre de culture et les structures qui s’y trouvent, notamment l’écoulement des fluides, les contraintes de cisaillement, la pression, la déformation et les champs électromagnétiques(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Cette modélisation a permis aux chercheurs de déterminer comment les paramètres de stimulation évoluent dans le bioréacteur et d’étudier leur influence sur les cellules. L’apprentissage automatique a été intégré au système de commande afin de combiner les résultats de la modélisation aux données expérimentales et d’optimiser les conditions de fonctionnement. La plateforme a été validée par des expériences de culture cellulaire in vitro, qui ont permis d’affiner progressivement les protocoles d’ingénierie tissulaire ostéochondrale. Le bioréacteur modulaire a été fabriqué à partir de matériaux biocompatibles et autoclavables. Sa conception intuitive doit faciliter, à terme, le respect des bonnes pratiques de laboratoire et de fabrication.
Des modèles plus performants pour étudier les maladies et les médicaments
Au-delà de la régénération tissulaire, la plateforme SYNERGIES ouvre la voie à des modèles tridimensionnels de tissus humains plus proches des conditions physiologiques, pour étudier la biologie des tissus ostéochondraux et les maladies qui les affectent. En associant des cellules humaines, des échafaudages biomimétiques et des stimulations physiques contrôlées, les chercheurs peuvent créer, dans des conditions reproductibles, des modèles de tissus sains ou malades, notamment des modèles d’arthrose. La plateforme pourrait également contribuer à la recherche de médicaments en permettant d’écarter plus tôt les candidats inefficaces ou potentiellement dangereux, et ainsi de réduire le nombre de composés qui doivent être testés sur des animaux. «L’intérêt de ces modèles va au-delà de la régénération tissulaire. En reproduisant les interactions entre l’os et le cartilage dans un environnement contrôlé proche des conditions naturelles, nous pouvons étudier les mécanismes des maladies et évaluer des traitements potentiels dans des conditions qui ressemblent davantage à celles d’une articulation humaine», souligne Diana Massai, responsable scientifique du projet SYNERGIES. À plus long terme, le projet entend transformer cette plateforme en une technologie robuste et évolutive. Des travaux supplémentaires seront nécessaires pour valider ses performances sur la durée et tester des cellules provenant de patients, tout en harmonisant les protocoles de culture et en examinant les enjeux de sécurité, de réglementation et de coût. La protection de la propriété intellectuelle et la collaboration avec des partenaires cliniques et industriels seront également essentielles.
